表面品質
光学面の表面品質は、その表面の外観を表し、傷や穴、掘り込みなどの欠陥が含まれます。ほとんどの場合、これらの表面欠陥は単に表面的なものであり、システムのパフォーマンスに大きな影響を与えることはありませんが、システムのスループットのわずかな損失や散乱光のわずかな増加を引き起こす可能性があります。ただし、特定の表面はこれらの影響に対してより敏感です: (1) これらの欠陥には焦点が合っているため、像面の表面、(2) これらの欠陥はエネルギーの吸収の増加と損傷を引き起こす可能性があるため、高い出力レベルが見られる表面光学。表面品質に使用される最も一般的な仕様は、MIL-PRF-13830B で説明されているスクラッチ ディグ仕様です。スクラッチの指定は、制御された照明条件下で表面のスクラッチを一連の標準スクラッチと比較することによって決定されます。したがって、スクラッチの指定は実際のスクラッチそのものを説明するものではなく、MIL-Spec に従って標準化されたスクラッチと比較するものです。ただし、掘削の指定は、掘削、つまり地表の小さな穴に直接関係しています。ディグ指定は、ディグの直径 (ミクロン単位) を 10 で割った値で計算されます。通常、スクラッチディグ仕様 80 ～ 50 が標準品質、60 ～ 40 が精密品質、20 ～ 10 が高精度品質とみなされます。
| 表 6: 表面品質の製造公差 | |
| 表面品質 (スクラッチ-ディグ) | 品質グレード |
| 80-50 | 典型的 |
| 60-40 | 精度 |
| 40-20 | 高精度 |
表面平坦度
表面平坦度は、ミラー、窓、プリズム、プラノレンズなどの平らな表面の偏差を測定する表面精度仕様の一種です。この偏差は、試験片の平面度を比較するための高品位で高精度な平面基準面であるオプティカルフラットを使用して測定できます。テスト光学部品の平面を光学平面に対して配置すると、縞が現れ、その形状が検査対象の光学部品の表面の平坦度を決定します。縞が等間隔で、真っ直ぐで、平行である場合、テスト中の光学表面は少なくとも基準光学平面と同じくらい平坦です。フリンジが湾曲している場合、2 つの仮想線の間のフリンジの数 (フリンジの中心に接する 1 つと同じフリンジの端を通る 1 つ) が平坦度誤差を示します。平坦度の偏差は、多くの場合、テスト光源の波長の倍数である波 (λ) の値で測定されます。1 つの縞は波の 1/2 に相当します。つまり、1 λ は 2 つの縞に相当します。
| 表 7: 平面度の製造公差 | |
| 平面度 | 品質グレード |
| 1λ | 典型的 |
| λ/4 | 精度 |
| λ/10 | 高精度 |
力
パワーは表面精度仕様の一種で、曲面光学面またはパワーのある表面に適用されます。これは光学部品の表面の曲率の測定値であり、レンズの球面形状のマイクロスケールの偏差に適用されるという点で曲率半径とは異なります。たとえば、曲率半径の公差が 100 +/-0.1 mm と定義されているとします。この半径が生成、研磨、測定されると、実際の曲率は 99.95 mm であり、指定された機械的公差内に収まることがわかります。この場合、正しい球面形状が得られているため、焦点距離も正しいことがわかります。ただし、半径と焦点距離が正しいからといって、レンズが設計どおりに機能するわけではありません。したがって、単に曲率半径を定義するだけでは十分ではなく、曲率の一貫性も定義する必要があります。これがまさにパワーが制御するように設計されているものです。再び上記と同じ 99.95 mm の半径を使用すると、眼鏡技師はパワーを ≤ 1 λ に制限することで屈折光の精度をさらに制御したい場合があります。これは、直径全体にわたって、球形の一貫性において 632.8nm (1λ = 632.8nm) を超える偏差は存在できないことを意味します。このより厳密なレベルの制御を表面形状に追加すると、レンズの片側の光線が反対側の光線と異なる屈折をしないようにすることができます。目標はすべての入射光のピンポイントの焦点を達成することであるため、形状がより一貫しているほど、光がレンズを通過するときにより正確に動作します。
眼鏡士は、波または縞の観点から度数誤差を特定し、干渉計を使用して測定します。曲面は、高度に校正された曲率半径を持つ基準面と比較されるという点で、平面度と同様の方法でテストされます。2 つの表面間の空隙によって引き起こされる干渉の同じ原理を使用して、干渉縞のパターンを使用して、基準表面からのテスト表面の偏差を説明します (図 11)。基準ピースからの偏差により、ニュートン リングとして知られる一連のリングが作成されます。存在するリングの数が多いほど、偏差は大きくなります。明暗の合計ではなく、暗いリングまたは明るいリングの数は、エラーの波の数の 2 倍に相当します。
図 11: 基準面との比較または干渉計を使用してテストされた電力誤差
度数誤差は、次の方程式によって曲率半径の誤差に関連付けられます。ここで、ΔR は半径誤差、D はレンズ直径、R は表面半径、そして λ は波長 (通常 632.8nm) です。
電力誤差 [波または λ] = ∆R D²/8R²λ
図 12: 直径に対する出力誤差と中心での半径誤差
不規則性
不規則性には、光学面上の小規模な変動が考慮されます。電力と同様に、波または縞の観点から測定され、干渉計を使用して特性が評価されます。概念的には、不規則性を、光学表面がどの程度均一に滑らかでなければならないかを定義する仕様として考えるのが最も簡単です。光学表面上で測定された全体的な山と谷は、ある領域では非常に一貫している場合がありますが、光学部品の別のセクションでははるかに大きな偏差が示される場合があります。このような場合、レンズによって屈折された光は、光学部品によって屈折される場所に応じて異なる動作をする可能性があります。したがって、不規則性はレンズを設計する際の重要な考慮事項です。次の図は、完全な球面からのこの表面形状の偏差が、不規則性 PV 仕様を使用してどのように特徴付けられるかを示しています。
図 13: 不規則性 PV 測定
不規則性は、表面の形状が基準表面の形状からどのように逸脱するかを記述する表面精度仕様の一種です。これは電力と同じ測定から得られます。規則性とは、テスト表面と基準表面の比較によって形成される円形縞の真球性を指します。面のパワーが５縞以上になると、１縞以下の小さな凹凸を検出することが困難になります。したがって、パワーと不規則性の比が約 5:1 のサーフェスを指定するのが一般的です。
図 14: 平坦性、電力、不規則性
RMS と PV 電力および不規則性の比較
電力と不規則性について議論する場合、それらを定義する 2 つの方法を区別することが重要です。1 つ目は絶対値です。たとえば、光学素子に 1 波の不規則性があると定義されている場合、光学面または山から谷まで (PV) の最高点と最低点の間に 1 波以上の差は存在できません。2 番目の方法は、パワーまたは不規則性を 1 波 RMS (二乗平均平方根) または平均として指定することです。この解釈では、1 波 RMS 不規則として定義される光学面には、実際には 1 波を超える山と谷がある可能性がありますが、表面全体を検査する場合、全体の平均不規則性は 1 波以内に収まる必要があります。
全体として、RMS と PV は両方とも、物体の形状が設計された曲率 (それぞれ「表面形状」と「表面粗さ」と呼ばれます) にどの程度一致しているかを記述する方法です。これらは両方とも干渉計測定などの同じデータから計算されますが、意味はまったく異なります。PV は表面に「最悪のシナリオ」を与えるのが得意です。RMS は、目的の表面または参照表面からの表面形状の平均偏差を記述する方法です。RMS は、表面全体の変化を説明するのに適しています。PV と RMS の間には単純な関係はありません。ただし、一般的な規則として、並べて比較すると、RMS 値は非平均値と同じくらい厳密な約 0.2 です。つまり、0.1 波の不規則な PV は約 0.5 波の RMS に相当します。
表面仕上げ
表面仕上げは、表面粗さとも呼ばれ、表面上の小さなスケールの凹凸を測定します。これらは通常、研磨プロセスや材料の種類によって生じる残念な副産物です。たとえ光学部品が非常に滑らかで、表面全体に凹凸がほとんどないように見えても、実際の顕微鏡検査では、表面の質感に大きなばらつきがあることが明らかになります。このアーチファクトをよく例えると、表面の粗さをサンドペーパーのグリットと比較することができます。最も細かい粒子のサイズは、触ると滑らかで規則正しいように感じられるかもしれませんが、実際の表面は、粒子自体の物理的なサイズによって決まる微細な山と谷で構成されています。光学部品の場合、「グリット」は研磨の品質によって生じる表面テクスチャの微細な凹凸と考えることができます。粗い表面は滑らかな表面よりも早く摩耗する傾向があり、小さな亀裂や欠陥に核生成部位が現れる可能性があるため、一部の用途、特にレーザーや高熱を使用する用途には適さない場合があります。
波または波の一部で測定されるパワーや不規則性とは異なり、表面粗さは表面テクスチャーに非常にクローズアップして焦点を当てているため、オングストロームのスケールで常に RMS の観点から測定されます。比較のために、1 ナノメートルに相当するのに 10 オングストロームが必要で、1 つの波に相当するのに 632.8 ナノメートルが必要です。
図 15: 表面粗さの RMS 測定
| 表 8: 表面仕上げの製造公差 | |
| 表面粗さ（RMS） | 品質グレード |
| 50Å | 典型的 |
| 20Å | 精度 |
| 5Å | 高精度 |
透過波面誤差
透過波面誤差 (TWE) は、光が通過する際の光学素子の性能を評価するために使用されます。表面形状測定とは異なり、透過波面測定には、材料の前面および背面、ウェッジ、均一性からの誤差が含まれます。全体的なパフォーマンスのこの指標は、光学部品の実際のパフォーマンスをより深く理解するのに役立ちます。
多くの光学コンポーネントは表面形状や TWE 仕様について個別にテストされますが、これらのコンポーネントは必然的に、独自の性能要件を持つより複雑な光学アセンブリに組み込まれます。一部のアプリケーションでは、最終的なパフォーマンスを予測するためにコンポーネントの測定と公差に依存することが許容されますが、より要求の厳しいアプリケーションでは、組み立てられた状態でアセンブリを測定することが重要です。
TWE 測定は、光学システムが仕様に従って構築されており、期待どおりに機能することを確認するために使用されます。さらに、TWE 測定を使用してシステムをアクティブに調整し、組み立て時間を短縮しながら、期待されるパフォーマンスを確実に達成することができます。
Paralight Optics には、標準的な球面形状だけでなく、非球面や自由形状の輪郭にも対応する最先端の CNC グラインダーと研磨機が組み込まれています。インプロセス計測と最終検査の両方に Zygo 干渉計、表面形状計、TriOptics Opticentric、TriOptics OptiSpheric などの高度な計測を採用することと、光学製造およびコーティングにおける長年の経験により、最も複雑で複雑な問題のいくつかに取り組むことができます。顧客の要求する光学仕様を満たす高性能光学系。
より詳細な仕様については、光学カタログまたは注目の製品をご覧ください。
投稿時刻: 2023 年 4 月 26 日